[发明专利]一种原位CNTs@Ti混杂增强铝基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种原位CNTs@Ti混杂增强铝基复合材料及其制备方法，涉及复合材料领域。本发明过通气相沉积法（CVD）在球形Ti颗粒表面原位合成均匀分布、管径均一、纯度高、结晶性好的CNTs，通过机械球磨将CNTs@Ti分散到Al基体，得到分散均匀的CNTs@Ti/Al复合粉末，利用放电等离子烧结（Spark Plasma Stintering简称SPS）制备成复合材料。本发明用原位气相沉积法制备CNTs@Ti混杂增强相的方法，结合简单的低速短时球磨法，可以使CNTs在Al基体中均匀分散，在烧结过程高温长时作用下，Ti与Al基体反应生成TiAl₃、CNTs与Al或Ti生成纳米相Al₄C₃、TiC，形成良好的界面结合，提高了复合材料的抗拉伸强度和延展性。

技术领域

本发明涉及一种原位CNTs@Ti混杂增强铝基复合材料及其制备方法，属于多相混杂增强铝基复合材料制备技术领域。

背景技术

铝金属具有密度低、塑性好、耐蚀性好、等诸多优点，应用非常广泛。但一般纯铝和铝合金的强度较低，铝基复合材料的开发备受关注。碳纳米管增强铝基复合材料可望获得轻质高强、塑性与耐蚀性好等特点，在航空航天、精密仪表和交通运输等方面有良好的应用前景。充分利用单根CNT前期的性能是CNTs提高复合材料整体性能的前提，这就要求CNTs充分均匀地分散在基体中。但CNTs自身具有范德华力、直径为纳米级，比表面积大，易在金属复合材料基体中团聚，从而降低了强化效果。此外，CNTs和金属之间的润湿性差，导致复合材料不能形成良好的界面结合，影响复合材料性能。

按照CNTs添加来源的不同，分为外部加入法和内部原位生成法。外部加入法通过高速球磨、铸造或CNTs表面改性等方法，使其一定程度均匀分散在基体中，不足之处在于高能、高温或表面改性一定程度上破坏了CNTs的完整结构，弱化其强化效果，分散能力有限。与外加法相比，原位复合生成CNTs法是在金属基体上利用化学法沉淀沉积、气体裂解原位生成，避免材料污染，改善基体与增强相的润湿性，提高界面的结合强度，与此同时通过控制工艺参数可以有效调控CNTs数量及分布。原位合成省去单独制备增强相，降低了材料制备成本。原位生成CNTs增强金属基复合材料现在得到研究者们越来越多的关注。

目前，随着工业发展对复合材料性能提出更高的要求，多相混杂增强相逐渐代替单一增强相去强化金属基复合材料，多相混杂增强体可以相互弥补、协同强化使复合材料的性能得到显著提升。Li 等在 SiC 颗粒表面通过化学气相沉积法生长碳纳米管，制备出新型 SiCp-CNTs 混杂增强体，通过球磨法将 SiCp-CNTs 混杂增强体均匀分散在铝基体中。结果表明，SiCp-CNTs/Al 复合材料的弹性模量达到 93GPa，抗拉强度为 202MPa，这主要是因为借助 SiC 有助于 CNTs 均匀地分散在基体中，并与基体形成了良好结合的界面。Li 等在上述研究基础上，进一步研究了 SiC 颗粒尺寸对 SiCp-CNTs/6061Al复合材料微观结构和力学性能的影响。SiCp 尺寸为 7μm 时，复合材料具有良好的综合性能。在铝基体中加入纯Ti粉末，与铝反应形成A1-Ti金属间化合物分散相，而A1-Ti金属间化合物是一种高温结构材料，具有高弹性模量、高熔点和高温高强等特性。在此基础上，本发明在Ti颗粒表面通过原位合成CNTs制备CNTs@Ti混杂增强铝基复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位CNTs@Ti混杂增强铝基复合材料，不仅具有金属基复合材料所特有的优良性能，而且具有其独特的低密度，轻质高强等特点，在航空航天、精密仪表和交通运输等方面有重要应用前景，包括球形铝基体和混杂增强相，其中，所述混杂增强相为CNTs@Ti，其球形Ti粒径大小为1-25μm，所述球形铝基体的粒径为20-30μm。

优选的，本发明所述球形铝基体和混杂增强相CNTs@Ti的总质量分数计为100％，其中，球形铝基体的质量分数为80-96wt％，所述混杂增强相CNTs@Ti的质量分数为4-20wt％。